Vlastnosti uhlíkových vláken
Pověst uhlíkových vláken jako materiálu nabyla mystických rozměrů! Nejenže má pověst nejlepšího a nejpevnějšího materiálu, ale také se stalo cool mít něco vyrobeného z uhlíkových vláken!“
Neprohlašuji, že jsem odborník. Tento článek kombinuje informace, které jsem našel při svém výzkumu o uhlíkových vláknech, nejsem primárním zdrojem. Snažím se být přesný, ale DĚLÁM CHYBY, vím, že to některé z vás možná překvapí, ale je to tak. Pokud plánujete stavbu stěžně nebo jiných lodních věcí, udělejte si průzkum. Poraďte se s odborníkem a buďte opatrní. Bavte se.
Nejdříve k tomu, co jsou uhlíková vlákna
Uhlíková vlákna se nepřekvapivě skládají z uhlíkových krystalů uspořádaných v dlouhé ose. Tyto krystaly ve tvaru včelí plástve se uspořádávají do dlouhých zploštělých pásků. Díky tomuto uspořádání krystalů je stuha pevná v dlouhé ose. Tyto stuhy se zase zarovnávají do vláken. Tvar vlákna odpovídá původnímu tvaru materiálu (jeho prekurzoru) použitého k výrobě uhlíkových vláken. Nevím o žádném procesu, při kterém by se vlákna tvarovala PO karbonizaci. Tato vlákna (obsahující ploché stuhy uhlíkových krystalů) zase výrobce svazuje do silnějších vláken a tká z nich uhlíkovou tkaninu, vyrábí z nich plsť, kroutí je nebo je svazuje bez kroucení. To se označuje jako Roving. Uhlíková vlákna jsou nabízena také jako sekaná vlákna a prášek.
Pro úpravu vlastností vrstvy se někdy přidávají další materiály, jako jsou skleněná vlákna, kevlar nebo hliník. Uhlíková vlákna se používají zřídka, protože. Spíše se vkládá do matrice. Při výrobě stěžňů a stavbě lodí máme obvykle na mysli epoxidové nebo polyesterové pryskyřice, ale uhlíková vlákna se používají také jako výztuž pro termoplasty, beton nebo keramiku.
Výroba uhlíkových vláken
Existuje několik metod výroby uhlíkových vláken, ale v podstatě všechny začínají výrobou vláken z prekurzoru bohatého na uhlík. Původní velikost a tvar vlákna zůstanou v hotovém uhlíkovém vlákně zachovány, ale vnitřní chemická struktura bude různými cykly zahřívání značně pozměněna. Prvním krokem je karbonizace a natažení prekurzorových vláken, buď PAN: polyakrylonitrilu, smoly nebo rayonu. Probíhá několik cyklů zahřívání při různých teplotách s vyloučením kyslíku. Tímto procesem se z výchozího materiálu vytěsní většina ostatních prvků (hlavně vodík a dusík) a zůstane uhlík. Umožňuje také postupnou krystalizaci uhlíku charakteristickým voštinovým způsobem. Pokud jste to ještě neviděli, přejděte na mou stránku Výzkum uhlíku a podívejte se na video o struktuře uhlíkových vláken. je to báječné.
Toto video na Youtube ukazuje výrobu uhlíkových vláken a stojí za zhlédnutí.
Nejdůležitějšími faktory určujícími fyzikální vlastnosti uhlíkových vláken jsou stupeň karbonizace (obsah uhlíku, obvykle více než 92 % hmotnosti) a orientace vrstevnatých uhlíkových rovin (pásků). Komerčně se vyrábějí vlákna se širokou škálou variant krystalického a amorfního obsahu, aby se upravily nebo zvýhodnily různé vlastnosti.
V závislosti na výchozím materiálu a procesu karbonizace se uhlíková vlákna upravují tak, aby vyhovovala konečnému účelu. PAN nebo polyakrylonitril je nejběžnějším prekurzorem pro plastové kompozity.
Hlavní variace vlastností je pevnost vs. tuhost. Použitím různých cyklů zahřívání lze zvýraznit buď jednu, nebo druhou. Probíhá výzkum zaměřený na úpravu dalších vlastností, jako je tepelná a elektrická vodivost.
Důležitá je nejen vnitřní struktura vláken, ale obrovský vliv na vlastnosti vyráběného předmětu má i způsob jejich uspořádání v hotových výrobcích. Správné uspořádání uhlíkových vláken je nezbytné pro maximalizaci jejich výhod.
Vlastnosti uhlíkových vláken, co nemilovat!!!
- Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti
- Tužnost
- Odolnost proti korozi
- Elektrická vodivost
- Odolnost proti únavě
- Dobrá pevnost v tahu, ale… Křehkost
- Odolnost proti ohni/není hořlavý
- Vysoká tepelná vodivost v některých formách
- Nízký koeficient tepelné roztažnosti
- Nejedovatý
- Biologicky inertní
- X-Propustný pro paprsky
- Relativně drahý
- Vyžaduje specializované zkušenosti a vybavení pro použití.
Nepsal jsem podrobně, ale uhlíková vlákna jsou samomazná, mají také vynikající stínicí vlastnosti proti EMI (elektromagnetickému rušení)
1- Uhlíková vlákna mají vysoký poměr pevnosti k hmotnosti (známý také jako měrná pevnost)
Pevnost materiálu je síla na jednotku plochy při poruše dělená jeho hustotou. Každý materiál, který je pevný A lehký, má příznivý poměr pevnosti a hmotnosti. Materiály jako hliník, titan, hořčík, uhlíková a skleněná vlákna, slitiny vysokopevnostních ocelí mají dobrý poměr pevnosti a hmotnosti. Není překvapivé, že dřevo Balsa má vysoký poměr pevnosti k hmotnosti.
Následující údaje jsou nabízeny pouze pro srovnání a budou se lišit v závislosti na složení, slitině, typu pavouka, hustotě dřeva atd. Jednotky jsou kN.m/kg.
| Spektrální vlákno | 3619 |
| Kevlar | 2514 |
| Uhlíkové vlákno | 2457 |
| Skleněná vlákna | 1307 |
| Pavoučí hedvábí | 1069 |
| Uhlíkový epoxidový kompozit | 785 |
| Balsa axiální zatížení | 521 |
| Slitina oceli | 254 |
| Slitina hliníku | 222 |
| polypropylen | 89 |
| Dub | 87 |
| Nylon | 69 |
Všimněte si, že pevnost a tuhost jsou různé vlastnosti, pevnost je odolnost proti přetržení, tuhost je odolnost proti ohybu nebo natažení.
Vzhledem ke způsobu orientace krystalů uhlíkových vláken v dlouhých plochých pásech nebo úzkých plátech voštinových krystalů je pevnost vyšší, když probíhá podélně než napříč vláknem. Proto konstruktéři předmětů z uhlíkových vláken určují směr, kterým má být vlákno položeno, aby se maximalizovala pevnost a tuhost v určitém směru. Vlákno je zarovnáno ve směru největšího namáhání.
Uhlíková vlákna na bázi prekurzorů mají vyšší pevnost než uhlíková vlákna na bázi rozteče, která mají vyšší tuhost.
2- Uhlíková vlákna jsou velmi tuhá
Tuhost neboli tuhost materiálu se měří pomocí Youngova modulu a udává, jak moc se materiál při namáhání prohne. Plast vyztužený uhlíkovými vlákny je více než 4krát tužší než plast vyztužený sklem, téměř 20krát větší než borovice, 2,5krát větší než hliník. Více informací o tuhosti a způsobu jejího měření a srovnávací tabulku různých materiálů najdete na mé stránce Youngův modul.
Pamatujte, že napětí je síla, deformace je průhyb, například při ohybu nebo natažení
3- Uhlíková vlákna jsou odolná proti korozi a chemicky stabilní.
Ačkoli samotná uhlíková vlákna se měřitelně nekazí, epoxidová jsou citlivá na sluneční záření a je třeba je chránit. Reaktivní mohou být i jiné matrice (bez ohledu na to, v čem jsou uhlíková vlákna uložena).
Uhlíková vlákna mohou být ovlivněna silnými oxidačními činidly
Kompozity vyrobené z uhlíkových vláken musí být buď vyrobeny s epoxidovou pryskyřicí odolnou proti UV záření (neobvyklé), nebo pokryty povrchovou úpravou odolnou proti UV záření, například laky.
4- Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá
Tato vlastnost může být buď užitečná, nebo na obtíž. Při stavbě lodí je třeba brát v úvahu vodivost, stejně jako přichází v úvahu vodivost hliníku. Vodivost uhlíkových vláken může usnadnit galvanickou korozi v kování. Pečlivá instalace může tento problém omezit.
Prach z uhlíkových vláken se může hromadit v dílně a způsobovat jiskření nebo zkraty v elektrických přístrojích a zařízeních.
V současné době probíhá poměrně rozsáhlý výzkum&D v oblasti využití elektrické vodivosti uhlíkových vláken k výrobě tepla buď pro rychlejší vytvrzování kompozitních materiálů, nebo pro samotnou schopnost ohřevu. To by mohlo mít uplatnění v zimních oděvech nebo oděvech určených do drsného prostředí.
Zde je výzkumná práce o vodivých textiliích a jejich využití při detekci bojových zranění. PDF soubor
5- Odolnost proti únavě je dobrá
Odolnost proti únavě u kompozitů z uhlíkových vláken je dobrá. Když však uhlíková vlákna selžou, obvykle selžou katastrofálně bez výrazných vnějších příznaků, které by ohlašovaly jejich blížící se selhání.
Poškození při únavě v tahu se projevuje jako snížení tuhosti při větším počtu cyklů namáhání, (pokud není teplota vysoká)
Zkoušky ukázaly, že selhání pravděpodobně nebude problém, pokud se cyklická napětí shodují s orientací vláken. Uhlíková vlákna jsou lepší než sklo E v únavové a statické pevnosti i tuhosti.
Orientace vláken A různá orientace vrstev vláken mají velký vliv na to, jak bude kompozit odolávat únavě (stejně jako na tuhost). Typ působících sil má také za následek různé typy poruch. Tahové, tlakové nebo smykové síly mají za následek výrazně odlišné výsledky poruch.
Příspěvek Národní laboratoře Oak Ridge o zkouškách kompozitů z uhlíkových vláken určených pro použití v automobilovém průmyslu. American Institute of Aeronautics and Astronautics, test pro materiály určené k použití v lopatkách větrných turbín.
6- Uhlíková vlákna mají dobrou pevnost v tahu
Pevnost v tahu neboli mez pevnosti, je maximální napětí, které materiál vydrží při natahování nebo tahu, než dojde k jeho porušení nebo selhání. Necking je okamžik, kdy se průřez vzorku začne výrazně smršťovat. Vezmete-li pásek plastového sáčku, bude se natahovat a v jednom bodě se začne zužovat. To je tzv. necking. Pevnost v tahu se měří v síle na jednotku plochy. Křehké materiály, jako jsou uhlíková vlákna, ne vždy selžou při stejné úrovni napětí kvůli vnitřním vadám. Selhávají při malých deformacích. (Jinými slovy, před katastrofickým selháním nedojde k velkému ohybu nebo protažení) Weibullův modul křehkých materiálů
Zkouška spočívá v tom, že se vezme vzorek s pevnou plochou průřezu a postupně se zvyšuje síla, dokud vzorek nezmění tvar nebo se nerozlomí. Vlákna, jako jsou uhlíková vlákna, která mají průměr pouze 2 desetiny palce, se za účelem zkoušení vyrábějí do kompozitů vhodných tvarů.
Jednotky jsou MPa Tato tabulka se nabízí pouze pro srovnání, protože existuje velké množství proměnných.
| Uhlíková ocel 1090 | 650 |
| Polyethylen vysoké hustoty (HDPE) | 37 |
| Polypropylen | 19.7-80 |
| Polyethylen vysoké hustoty | 37 |
| Nerezová ocel AISI 302 | 860 |
| Slitina hliníku 2014-T6 | 483 |
| Slitina hliníku 6063-T6 | 248 |
| Samotné sklo | 3450 |
| E-Sklo v laminátu | 1500 |
| Samotné uhlíkové vlákno | 4127 |
| Uhlíkové vlákno v laminátu | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Dřevo borovice (rovnoběžně s vlákny) | 40 |
POZN: Při zkoušení uhlíkových vláken a jiných vláken a nehomogenních materiálů je třeba vyrobit mnoho konzistentních a srovnatelných vzorků. Tento postup není jednoduchý. Pokud čtete výzkumy, kde se porovnává pevnost/tuhost, výzkumníci vždy vysvětlí, jak byly jejich vzorky vyrobeny, včetně typu matrice, uspořádání vláken, poměru vláken k matrici a dalších faktorů. Tato obtížnost vysvětluje, proč se výsledky měření mohou mezi jednotlivými výzkumy dosti lišit.
7- Odolnost proti ohni/nehořlavost
Zde je článek o recyklaci uhlíkových vláken spálením matrice.
Uhlíková vlákna jsou klasifikována jako nehořlavá a nemají uvedenou teplotu vzplanutí. Pokud je vystaveno vysokému žáru za přítomnosti hořícího paliva, může nakonec oxidovat, ale jakmile je plamen a palivo odstraněno, plamen nepokračuje.
Protože se uhlíková vlákna téměř vždy používají v matrici, jako je epoxid, plast nebo beton, je významnějším faktorem tolerance matrice vůči vysoké teplotě.
V závislosti na výrobním procesu a výchozím materiálu mohou být uhlíková vlákna na dotek poměrně měkká a mohou být vyrobena nebo častěji integrována do ochranných oděvů pro hašení požárů. Příkladem je vlákno potažené niklem. Protože jsou uhlíková vlákna také chemicky velmi inertní, lze je použít tam, kde dochází k požáru v kombinaci s korozivními látkami. vysokoteplotní plstěná deka na pájení – ČERNÁ, 18″ X 24″
8- Tepelná vodivost uhlíkových vláken
Podívejte se na můj článek o tepelné vodivosti materiálů na bázi uhlíku, včetně uhlíkových vláken, nanotrubiček a grafenu.
Tepelná vodivost je množství tepla přenášeného jednotkovou tloušťkou ve směru normály k povrchu o jednotkové ploše v důsledku jednotkového teplotního gradientu za ustálených podmínek. Jinými slovy je to míra toho, jak snadno teplo proudí materiálem.
Existuje řada měrných soustav v závislosti na metrických nebo imperiálních jednotkách.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Tato tabulka slouží pouze pro srovnání. Jednotky jsou W/(m.K)
| Vzduch | .024 |
| Hliník | 250 |
| Beton | .4 – .7 |
| Uhlíková ocel | 54 |
| Izolace z minerální vlny | .04 |
| Plyšové dřevo | .13 |
| Křemen | 3 |
| Pyrexové sklo | 1 |
| Borovice | .12 |
| Epoxid vyztužený uhlíkovými vlákny | 24 |
Protože existuje mnoho variant na téma uhlíkových vláken, není možné přesně určit tepelnou vodivost. Speciální typy uhlíkových vláken byly speciálně navrženy pro vysokou nebo nízkou tepelnou vodivost. Existují také snahy o Zlepšení této vlastnosti.
Materiálová informační společnost má stránku o „grafitu“ alias uhlíkových vláknech
9- Nízký koeficient tepelné roztažnosti
Jedná se o míru, o kolik se materiál rozpíná a smršťuje při zvýšení nebo snížení teploty.
Jednotky jsou v palcích / palcích stupně F, stejně jako v jiných tabulkách nejsou jednotky tak důležité jako srovnání.
| Ocel | 7 |
| Hliník | 13 |
| Kevlar | 3 nebo nižší |
| Uhlíkové vlákno tkané | 2 nebo méně |
| Uhlíkové vlákno jednosměrné | minus 1 až +8 |
| Skleněné vlákno | 7-8 |
| Mosaz | 11 |
Uhlíková vlákna mohou mít široký rozsah CTE, -1 až 8+, v závislosti na měřeném směru, vazbě tkaniny, materiálu prekurzoru, na bázi Pan (vysoká pevnost, vyšší CTE) nebo Pitch (vysoký modul/tuhost, nižší CTE).
V dostatečně vysokém stožáru mohou rozdíly v součinitelích tepelné roztažnosti různých materiálů mírně modifikovat napětí soupravy.
Nízký součinitel tepelné roztažnosti činí uhlíková vlákna vhodnými pro aplikace, kde mohou být kritické malé pohyby. Jednou z takových aplikací jsou teleskopy a další optické stroje.
10-11-12 Nejedovaté, biologicky inertní, propustné pro rentgenové záření
Tyto vlastnosti činí uhlíková vlákna užitečnými ve zdravotnictví. Využití pro protézy, implantáty a opravy šlach, rentgenové příslušenství chirurgických nástrojů, to vše je ve vývoji.
Ačkoli nejsou jedovatá, mohou být uhlíková vlákna poměrně dráždivá a je třeba omezit dlouhodobou nechráněnou expozici. Matrice, ať už epoxidová nebo polyesterová, však může být toxická a je třeba dbát náležité opatrnosti.
13- Uhlíková vlákna jsou relativně drahá
Přestože nabízejí výjimečné výhody v podobě pevnosti, tuhosti a snížení hmotnosti, odrazuje je cena. Pokud není výhoda hmotnosti výjimečně důležitá, například v leteckých nebo závodních aplikacích, často se nevyplatí připlácet. Další výhodou jsou nízké nároky na údržbu uhlíkových vláken.
Je obtížné vyčíslit cool a módní. Uhlíková vlákna mají auru a pověst, díky níž jsou spotřebitelé ochotni zaplatit více za to, že je mají.
V porovnání se skelnými vlákny jich možná budete potřebovat méně, a to může být úspora.
Fibre Glast Real Carbon Fiber Fabric – 3K, 2 X 2 – Twill Weave – 1 yd Roll
Noahs dodává amatérským stavitelům lodí tkaniny z uhlíkových vláken a skla, zabrouzdejte do jejich online katalogu a porovnejte ceny. (Kanadský obchod)
14- Uhlíková vlákna jsou křehká
Vrstvy ve vláknech jsou tvořeny silnými kovalentními vazbami. Listovité skupenství snadno umožňuje šíření trhlin. Při ohybu vlákna selhávají při velmi malé deformaci. Jinými slovy, uhlíková vlákna se před selháním příliš neohýbají.
Vliv měnícího se poměru uhlíkových vláken a matrice
15- Uhlíková vlákna zatím nejsou přizpůsobena amatérské technice.
Pro dosažení maximálních vlastností uhlíkových vláken je třeba dosáhnout poměrně vysoké technické dokonalosti. Nedokonalosti a vzduchové bubliny mohou výrazně ovlivnit výkon. Obvykle je zapotřebí autoklávů nebo vakuových zařízení. Velké náklady představují také formy a trny.
Úspěch každé amatérské konstrukce z uhlíkových vláken bude úzce souviset s dovedností a pečlivostí.
Zde je odkaz na video na YouTube od společnosti Easy Composite Ltd. o různých technikách použití uhlíkových vláken. Mají řadu instruktážních videí.
Na tomto článku se pracuje. V průběhu zkoumání tohoto tématu budu nadále doplňovat informace a zpřesňovat text. Informace, které jsem uvedl, pocházejí z různých zdrojů. Pokud to bylo možné, snažil jsem se je ověřit. Snažím se používat „spolehlivé zdroje“, jako jsou údaje výrobce, výzkumné práce nebo univerzitní články. V přehledu se opírám také o Wikipedii.
Dobrý článek z univerzity v Tennessee o výrobě uhlíkových vláken.
Christine.
Pište mi, pokud najdete chyby, opravím je a všichni z toho budeme mít prospěch: Christine
.